实验8--迈克尔逊干涉仪测量He-Ne激光波长(306)

1 图图 3 点光源非定域干点光源非定域干涉涉 2 M2 实验实验 8 迈克尔逊干涉仪测量迈克尔逊干涉仪测量 He Ne 激光波长 激光波长 306 一 实验目的 一 实验目的 1 了解迈克尔逊干涉仪的结构 原理和调节使用方法 2 了解光的干涉现象 观察 认识 区别等倾干涉 3 掌握用迈克尔逊干涉仪测 He Ne 激光的波长的方法 二 实验仪器二 实验仪器 迈克耳逊干涉仪 He Ne 激光器 三 实验原理三 实验原理 如图 2 示 从光源 S 发出的光束射向分光板 G1 被 G1底面的半透半反膜分成振幅大致相等的反射光 1 和透射光2 光束 被动镜 M2再次反射回并穿过 G1到 达E E 光束 2 穿过补偿片 G2后被定镜 M1反射回 二次 穿过 G2到达 G1 并被底层膜反射到达E E 最后两束光是 频率相同 振动方向相同 光程差恒定 即位相差恒定的相干光 它们在相遇空 间E E产生干涉条纹 由 M 反射回来的光波在分光板 G 的第二面上反射时 如同平面镜反射一 样 使 M 在 M 附近形成 M 的虚像 M 因而光在迈克尔逊干涉仪中自 M 和 M 的反射相当于自 M 和 M 的反射 由此可见 在迈克尔逊干涉仪中所产生 的干涉与空气薄膜 M 和 M 之间所夹 所产生的干涉是等效的 当 M 和 M 平行时 此时 M 和 M 严 格互相垂直 将观察到环形的等倾干涉 条纹 一般情况下 M 和 M 形成一空气劈尖 因此将观察到近似平行的等厚干涉条 2 纹 1 1 单色光的等倾干涉单色光的等倾干涉 激光器发出的光波长为 经凸透镜 L 后会聚 S 点 S 点可看做一点光源 经 G M M 的反射 也等效于沿轴向分布的 2 个虚光源 S S 所产生 的干涉 因 S S 发出的球面波在相遇空间处处相干 所以 观察屏 E 放在不同位置上 均可看到干涉条纹 故称为非定域干涉 当 E 垂直于轴线时 见图 2 调整 M 和 M 的方位使相互严格垂直 则可观察到 等倾干涉圆条纹 迈克尔逊干涉仪所产生的环形等倾干涉圆条纹的位置取决于相干光束间的光 程差 而由 M 和 M 反射的两列相干光波的光程差为 2dcos 1 其中 为反射光 在平面镜 M 上的入射角 由干涉明纹条件有 2dcos k 2 考虑到 较小 1 d 一定时 若 0 光程差 2d 最大 即圆心所对应的干涉级次最高 从圆心向外的干涉级次依次降低 2 k 一定时 若 d 增大 随之增大 可观察到干涉环纹从中心向外 涌出 干涉环纹逐渐变细 环纹半经逐渐变小 当 d 增大至光源相干长度一半时 干涉环 纹越来越细 图样越来越小 直至消失 反之 当 d 减小时 可观察到干涉环纹 向中心 缩入 当 d 逐渐减小至零时 干涉环纹逐渐变粗 干涉环纹直经逐渐变 大 至光屏上观察到明暗相同的视场 3 1 2 M 1 M 2 M 1 P i i r L a d b 2 2 O 1 S ififr tan 4125 图 1 S 2 S 3 对 0 的明条纹 有 2d k 可见每 涌出 或 缩入 一个圆环 相当于 S1S2的光程差改变了一个波长 当 d 变化了 d 时 相应地 涌出 或 缩入 的环数为 k 从迈克尔逊干涉仪 的读数系统上测出动镜移动的距离 d 及干涉环中相应的 涌出 或 缩入 环数 k 就可以求出光的波长 为 2 d k 3 或已知激光波长 由上式可测微小长度变化为 d k 2 4 附图 1 迈克尔逊干涉仪产生的等倾干涉条纹随和的相应位置变化的特征 1 M 2 M 四 实验内容与步骤四 实验内容与步骤 一 仪器介绍 一 仪器介绍 1 1 迈氏干涉仪 如右图示实物图 M1 M2为两垂直放置的平面反射镜 分别固 定在两个垂直的臂上 两相同的玻璃片 G1 G2平行放置 与M2固定在同一臂上 且 与M1和M2的夹角均为 45 度 M1由精密螺杆 控制 可以沿臂轴前后移动 G1的第二面上 涂有半透半反射膜 能够将入射光分成振幅 几乎相等的反射光 1和透射光 2 所以 G 1称 为分光板 又称为分光镜 1光经M1反射后 由原路返回再次穿过分光板 G 1后到达观察点E处 2 光到达M2后被M2反射后 附图 1 d 变化时 等倾干涉条纹的变化特征 4 按原路返回 在 G 1的第二面上被反射到观察点E处 由于 1光在到达E 处之前 穿过 G1三次 而 2 光在到达E处之前穿过 G1一次 为了补偿 1 2 两光的光程 差 便在M2所在的臂上再放一个与 G1 的厚度 折射率严格相同的 G2平面玻璃板 满足 了 1 2 两光在到达E 处时无光程差 所以称 G2为补偿板 由于 1 2 光均来自同一光源S 在到达 G1后被分成 1 2 两光 所以两光是相干光 相遇时就产生干涉现象 2 2 He Ne 激光器 扫描图 5 13 8 二 测 二 测 HeHe NeNe 激光的波长激光的波长 目测粗调使凸透镜中心 激光管中心轴线 分光镜中心大致垂直定镜 M2 并 打开激光光源 暂时拿走凸透镜 调激光光束垂直定镜 标准 定镜反射回的光束 返回激光 发射孔 调 M1与 M2垂直 标准 观测屏中两平面镜反射回的亮点完全重合 在光路中加进凸透镜并调整之 使屏上出现干涉环 调零 因转动微调鼓轮时 粗调鼓轮随之转动 而转动粗调鼓轮时 微调鼓轮则 不动 所以测读数据前 要调整零点 方法 将微调鼓轮顺时针 或逆时针 转至零点 然后以同样的方向转动粗调鼓 轮 对齐任一刻度线 再将微调鼓轮同方向旋转一周再至零点 测量 测干涉环纹从环心 吐出 或 吞进 环数 k 每 50 环 和对应的动 镜移动的距离 di 数据记录 并上交任课教师审批签字 2 2 观察和测量钠光的干涉条纹及钠双线的波长差 选做 以钠光为光源调出等倾干涉条纹 在激光点光源等倾干涉的基础上 以钠光灯取代激光 钠光照射到毛玻璃片上 毛玻 璃片上画有一条标记线 形成均匀的扩展光源 加强干涉条纹的亮度 并使之与分 光片 G 等高并且位于沿分光片和 M 镜的中心线上 用眼睛透过 G 直视 M 镜 细心微 5 d 2 2 调 M 镜后面的 3 个调节螺钉 使钠光灯毛玻璃片上的直线所成的两个像完全重合 如 果难以重合 可略微调节一下 M 镜后的 3 个螺钉 当两个像完全重合时 可轻轻转动 粗调手轮 使 M 镜移动 将看到有明暗相间的干涉圆环 若干涉环模糊 可沿同方向 继续缓慢转动粗调手轮 干涉环就会出现 再仔细调节 M 镜的 2 个拉簧螺丝 直到把干涉环中心调到视场中央 并且使干涉 环中心随观察者的眼睛左右 上下移动而移动 但干涉环不发生 涌出 或 缩入 现 象 这时观察到的干涉条纹才是严格的等倾干涉 测钠光 D 双线的平均波长 选做 1 先调仪器零点 方法如上 略 2 移动 M 镜 使视场中心的视见度最小 记录 M 镜的位置 沿原方向继续移动 M 镜 使视场中心的视见度由最小到最大直至又为最小 再记录 M 镜位置 连续测出 5 个视见度最小时 M 镜位置 3 用逐差法求 d 的平均值 计算 D 双线的波长差 4 与标准值进行比较 3 观察白光的等厚干涉条纹 将钠光灯换成日光灯 在等倾干涉基础上 移动 M 镜 使干涉环由细密变粗疏 直 到整个视场条纹变成等轴双曲线形状时 说明 M 与 M 接近重合 当 M 与 M 达 到 零程 时 在 M 与 M 的交线附近就会出现彩色条纹 再极小心地旋转微调 手轮找到中央条纹 其两侧对称分布着红 橙 黄 绿 青 蓝 紫的彩色条纹 记录观察到的条纹形状和颜色分布 细心调节水平及垂直拉簧螺丝 使 M 与 M 有一很小夹角 形成楔形空气膜层 视场中便出现等厚干涉的直条纹 观察和记录 条纹的形状 特点 附图 2 迈克尔逊干涉仪产生的等厚干涉条纹及 M1和 M2的相应位置 6 五 注意事项五 注意事项 1 迈克尔逊干涉仪系精密光学仪器 使用时应注意防尘 防震 不要对着仪器说话 咳嗽等 测量时动作要轻 缓 尽量使身体部位离开实验台面 以防震动 不能触摸光 学元件光学表面 2 激光管两端的高压引线头是裸露的 且激光电源空载输出电压高达数千伏 要 警惕误触 3 3 测量过程中要防止回程误差 测量时 微调鼓轮只能沿一个方向转动 必须和大 手轮转动方向一致 否则全部测量数据无效 应重新测量 4 4 激光束光强极高 切勿用眼睛对视 防止视网膜遭受永久性损伤 5 5 实验完成后 不可调动仪器 要等老师检查完数据并认可后才能关机 关机时 应先将高压输出电流调整为最小 再关